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水素エネルギー材料の次代設計のための量子論的モデリングの深化と応用

研究課題

研究課題/領域番号 18H01693
研究種目

基盤研究(B)

配分区分補助金
応募区分一般
審査区分 小区分26010:金属材料物性関連
研究機関名古屋大学 (2020)
大阪大学 (2018-2019)

研究代表者

君塚 肇  名古屋大学, 工学研究科, 教授 (60467511)

研究分担者 志賀 基之  国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, システム計算科学センター, 研究主幹 (40370407)
研究期間 (年度) 2018-04-01 – 2021-03-31
研究課題ステータス 完了 (2020年度)
配分額 *注記
17,550千円 (直接経費: 13,500千円、間接経費: 4,050千円)
2020年度: 3,120千円 (直接経費: 2,400千円、間接経費: 720千円)
2019年度: 6,630千円 (直接経費: 5,100千円、間接経費: 1,530千円)
2018年度: 7,800千円 (直接経費: 6,000千円、間接経費: 1,800千円)
キーワード水素透過・吸蔵 / 量子効果 / 自由エネルギー地形 / 第一原理経路積分解析 / レアイベント解析 / 水素吸蔵・透過
研究成果の概要

水素をエネルギー媒体として利用するための材料技術を確立するには,材料中における水素原子の振る舞いを理解し,材料設計に反映させることが重要である.本研究では,経路積分解析とレアイベント解析を統合させることで,原子核と電子からなる系を丸ごと第一原理的に扱う計算を可能にし,量子効果に由来する水素の特異な挙動を予測的に定量評価するための新規解析法を構築した.これにより,水素エネルギー材料中の水素の反応・移動過程の自由エネルギー地形を獲得し,水素の存在状態ならびに入出反応・移動過程のキネティクスを明らかにするとともに,水素吸蔵・透過性能を律速する因子を解析した.

研究成果の学術的意義や社会的意義

水素を次世代のエネルギー移送・発生の媒体として利用するための取組みが注目されているなか,直接的に検出・測定することが容易ではない材料中の水素の挙動を,理論的に予測・理解するためのアプローチを確立することが重要である.本研究により構築した手法は材料中の水素特性に対して高い予測能力を持ち,水素利用技術の高度化のための材料研究の促進に資するものである.また,本研究による成果は,既存の水素エネルギー材料の性能向上のみならず,新しい候補探索に対して有用な指針を与える.

報告書

(4件)
  • 2020 実績報告書   研究成果報告書 ( PDF )
  • 2019 実績報告書
  • 2018 実績報告書
  • 研究成果

    (38件)

すべて 2021 2020 2019 2018 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (12件) (うち国際共著 6件、 査読あり 12件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (25件) (うち国際学会 6件、 招待講演 12件)

  • [国際共同研究] ニューヨーク大学(米国)

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [雑誌論文] Nuclear quantum effects on autoionization of water isotopologs studied by ab initio path integral molecular dynamics2021

    • 著者名/発表者名
      B. Thomsen, M. Shiga
    • 雑誌名

      Journal of Chemical Physics

      巻: 154 号: 8 ページ: 084117-084117

    • DOI

      10.1063/5.0040791

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Refined metadynamics through canonical sampling using time-invariant bias potential: A study of polyalcohol dehydration in hot acidic solutions2021

    • 著者名/発表者名
      T. Kondo, T. Sasaki, S. Ruiz Barragan, J. Ribas Arino, M. Shiga
    • 雑誌名

      Journal of Computational Chemistry

      巻: 42 号: 3 ページ: 156-165

    • DOI

      10.1002/jcc.26443

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] 経路積分法で探る金属中の水素の拡散メカニズム2020

    • 著者名/発表者名
      君塚肇, 尾方成信, 志賀基之
    • 雑誌名

      日本物理学会誌

      巻: 75 号: 8 ページ: 484-490

    • DOI

      10.11316/butsuri.75.8_484

    • NAID

      130007939263

    • ISSN
      0029-0181, 2423-8872
    • 年月日
      2020-08-05
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Quantum-mechanical hydration plays critical role in the stability of firefly oxyluciferin isomers: State-of-the-art calculations of the excited states2020

    • 著者名/発表者名
      Yoshifumi Noguchi, Miyabi Hiyama, Motoyuki Shiga, Hidefumi Akiyama, and Osamu Sugino
    • 雑誌名

      The Journal of Chemical Physics

      巻: 153 号: 20 ページ: 201103-201103

    • DOI

      10.1063/5.0031356

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Self-learning hybrid Monte Carlo: A first-principles approach2020

    • 著者名/発表者名
      Nagai Yuki、Okumura Masahiko、Kobayashi Keita、Shiga Motoyuki
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 102 号: 4

    • DOI

      10.1103/physrevb.102.041124

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Nuclear quantum effect for hydrogen adsorption on Pt(111)2020

    • 著者名/発表者名
      Lei Yan, Yoshiyuki Yamamoto, Motoyuki Shiga, Osamu Sugino
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 101 号: 16

    • DOI

      10.1103/physrevb.101.165414

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Unraveling anomalous isotope effect on hydrogen diffusivities in fcc metals from first principles including nuclear quantum effects2019

    • 著者名/発表者名
      Kimizuka Hajime、Ogata Shigenobu、Shiga Motoyuki
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 100 号: 2 ページ: 024104-024104

    • DOI

      10.1103/physrevb.100.024104

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Photoabsorption Spectra of Aqueous Oxyluciferin Anions Elucidated by Explicit Quantum Solvent2019

    • 著者名/発表者名
      Noguchi Yoshifumi、Hiyama Miyabi、Shiga Motoyuki、Akiyama Hidefumi、Sugino Osamu
    • 雑誌名

      Journal of Chemical Theory and Computation

      巻: 15 号: 10 ページ: 5474-5482

    • DOI

      10.1021/acs.jctc.9b00392

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Ab initio quantum mechanics/molecular mechanics method with periodic boundaries employing Ewald summation technique to electron-charge interaction: Treatment of the surface-dipole term2019

    • 著者名/発表者名
      Yukio Kawashima, Kazuya Ishimura, Motoyuki Shiga
    • 雑誌名

      The Journal of Chemical Physics

      巻: 150 号: 12 ページ: 124103-124103

    • DOI

      10.1063/1.5048451

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Understanding Competition of Polyalcohol Dehydration Reactions in Hot Water2019

    • 著者名/発表者名
      Chang Yong Lik、Sasaki Takehiko、Ribas-Ari?o Jordi、Machida Masahiko、Shiga Motoyuki
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry B

      巻: 123 号: 7 ページ: 1662-1671

    • DOI

      10.1021/acs.jpcb.8b11615

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Path Integral Simulations2018

    • 著者名/発表者名
      Motoyuki Shiga
    • 雑誌名

      Reference Module in Chemistry, Molecular Sciences and Chemical Engineering

      巻: - ページ: 1-22

    • DOI

      10.1016/b978-0-12-409547-2.11614-2

    • ISBN
      9780124095472
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Finding Free-Energy Landmarks of Chemical Reactions2018

    • 著者名/発表者名
      Motoyuki Shiga, Mark E Tuckerman
    • 雑誌名

      The journal of physical chemistry letters

      巻: 9 号: 21 ページ: 6207-6214

    • DOI

      10.1021/acs.jpclett.8b01958

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [学会発表] 階層的並列化された第一原理経路積分計算2020

    • 著者名/発表者名
      志賀基之
    • 学会等名
      物性研究所スパコン共同利用・CCMS合同研究会「計算物質科学の新展開2020」
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Studies and Special Lecture: Path Integral Simulations2020

    • 著者名/発表者名
      M. Shiga
    • 学会等名
      37th Computational Materials Design (CMD) Workshop
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 原子シミュレーションに基づく転位運動と原子拡散の速度論的モデリング2020

    • 著者名/発表者名
      君塚 肇
    • 学会等名
      日本金属学会2020年春期講演大会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 第一原理計算によるパラジウム銀合金の水素透過性に関する研究2020

    • 著者名/発表者名
      福岡 敦史, 高橋 操平, 石井 明男, 君塚 肇, 尾方 成信
    • 学会等名
      日本機械学会関西学生会2019年度学生員卒業研究発表講演会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] 無拡散変態の変態経路探索の効率化のためのdimer法の改良2020

    • 著者名/発表者名
      名田 巧, 平安山 涼, 石井 明男, 君塚 肇, 尾方 成信
    • 学会等名
      日本機械学会関西学生会2019年度学生員卒業研究発表講演会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] First-principles quantum modeling of diffusion of hydrogen isotopes in face-centered cubic metals2019

    • 著者名/発表者名
      H. Kimizuka
    • 学会等名
      KSME-JSME Joint Symposium on Computational Mechanics & CAE 2019
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Nuclear quantum effects on kink-pair nucleation on screw dislocations in iron: A centroid-based quantum transition state theory approach2019

    • 著者名/発表者名
      H. Kimizuka, Y. Iwai, M. Shiga, S. Ogata
    • 学会等名
      4th International Symposium on Atomistic Modeling for Mechanics and Multiphysics of Materials (ISAM4-2019)
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 固体材料分野における古典分子動力学法の基礎と応用2019

    • 著者名/発表者名
      君塚 肇
    • 学会等名
      2019年度計算科学ハンズオンセミナー
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 量子反応経路探索手法による鉄中らせん転位のキンク対形成過程の解析2019

    • 著者名/発表者名
      君塚 肇, 岩井 佑樹, 福井 浩毅, 志賀 基之, 尾方 成信
    • 学会等名
      日本計算工学会第24回計算工学講演会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] 量子反応経路探索手法を用いた鉄中らせん転位の移動過程の自由エネルギー地形解析2019

    • 著者名/発表者名
      岩井 佑樹, 福井 浩毅, 君塚 肇, 尾方 成信
    • 学会等名
      日本材料学会第4回マルチスケール材料力学シンポジウム
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] 第一原理計算を用いたバナジウム中の傾角粒界における水素の溶解・拡散挙動に関する研究2019

    • 著者名/発表者名
      高橋 操平, 市岡 航平, 石井 明男, 君塚 肇, 尾方 成信
    • 学会等名
      日本機械学会関西学生会平成30年度学生員卒業研究発表講演会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] 低温下における鉄中らせん転位の移動障壁に関する原子論的解析2019

    • 著者名/発表者名
      岩井 佑樹, 福井 浩毅, 石井 明男, 君塚 肇, 尾方 成信
    • 学会等名
      日本機械学会関西学生会平成30年度学生員卒業研究発表講演会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] パラジウム中の水素拡散の同位体効果に関する第一原理解析2019

    • 著者名/発表者名
      君塚 肇, 尾方 成信, 志賀 基之
    • 学会等名
      日本物理学会第74回年次大会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] 分子シミュレーションにおけるレア・イベント解析手法2019

    • 著者名/発表者名
      志賀 基之
    • 学会等名
      大阪大学大学院基礎工学研究科機能創成セミナー
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Introduction to path integral simulations2019

    • 著者名/発表者名
      志賀 基之
    • 学会等名
      大阪大学大学院工学研究科精密科学・応用物理学専攻セミナー
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Basics of biased sampling, umbrella sampling, WHAM, Bluemoon ensemble, quantum effects2019

    • 著者名/発表者名
      M. Shiga
    • 学会等名
      Free Energy Chembio 2019
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Mechanical tuning of hydrogen diffusivity in palladium: An ab initio path-integral molecular dynamics modeling2018

    • 著者名/発表者名
      H. Kimizuka, S. Ogata, M. Shiga
    • 学会等名
      International Conference on Processing & Manufacturing of Advanced Materials (THERMEC'2018)
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 材料の強度・変形機構の解明に向けた原子・電子論的シミュレーションの活用2018

    • 著者名/発表者名
      君塚 肇
    • 学会等名
      日本金属学会2018年秋期講演大会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Ab initio経路積分分子動力学法による面心立方金属中の水素同位体の存在状態と拡散キネティクスの解析2018

    • 著者名/発表者名
      君塚 肇
    • 学会等名
      「レア・イベントの計算科学」第2回ワークショップ
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Isotope effect on quantum diffusion of interstitial hydrogen in face-centered cubic metals2018

    • 著者名/発表者名
      H. Kimizuka, S. Ogata
    • 学会等名
      The 9th International Conference on Multiscale Materials Modeling (MMM2018)
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 経路積分分子動力学法による鉄中らせん転位の移動過程における量子効果の評価2018

    • 著者名/発表者名
      君塚 肇, 中西 亮太, 尾方 成信
    • 学会等名
      日本材料学会第3回マルチスケール材料力学シンポジウム
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] 自由エネルギー面上の化学反応経路探索2018

    • 著者名/発表者名
      志賀 基之
    • 学会等名
      第12回分子科学討論会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] Locating Free Energy Landmarks of Chemical Reactions2018

    • 著者名/発表者名
      M. Shiga
    • 学会等名
      3rd International Symposium on Research and Education of Computational Science
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 水素の量子効果を考慮した第一原理計算2018

    • 著者名/発表者名
      志賀 基之
    • 学会等名
      第15回 水素量子アトミクス研究会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 自由エネルギー面上における停留点の探索法2018

    • 著者名/発表者名
      志賀 基之
    • 学会等名
      第32回分子シミュレーション討論会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書

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公開日: 2018-04-23   更新日: 2022-01-27  

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